PET芯層減材工藝處理對三明治結構力學性能的影響

摘要：以聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate， PET）泡沫芯層和鋁合金面板制成的三明治結構為研究對象。首先，在制備三明治結構過程中，使用4類芯層，分別為未處理PET泡沫芯層，以及進行減材工藝處理（單向開槽、雙向開槽、打孔）的PET泡沫芯層；然后，通過滾筒剝離試驗測試鋁合金面板與PET泡沫芯層的抗剝離性能，通過純剪切試驗測試減材工藝處理對三明治結構剪切性能的影響；最后，分析結構的剝離及剪切失效模式、載荷-位移響應、剝離及剪切強度。結果表明，雙向開槽、單向開槽、打孔工藝使得三明治結構面板與PET泡沫芯層的剝離強度相對未處理試樣分別提升了48. 31%、32. 29%、16. 67%；雖然雙向開槽、單向開槽、打孔工藝對PET泡沫芯層有損傷，但3種芯層處理工藝反而使得三明治結構的剪切屈服強度相對未處理試樣分別提升了3. 12%、3. 90%、2. 92%。

關鍵詞：PET泡沫三明治；芯層減材處理；滾筒剝離；剝離性能；剪切試驗；剪切性能

中圖分類號：TB383. 4；TG146. 2+1 DOI： 10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 04. 012

0 引言

三明治結構具有高比剛度和比強度的性能優勢，在航空航天、船舶、汽車、軌道列車、建筑等領域都得到了廣泛應用［1］。一般來說，三明治結構由剛性面板與柔性芯層匹配組成，組分材料之間通常采用膠黏等方式實現連接。根據芯層和面板材料的不同，三明治結構能夠實現阻燃、隔音、防腐蝕等功能，以滿足工程結構的復雜需求。三明治結構力學性能及輕量化特性表現優異，核心在于其結構內部良好的載荷分配；其中面板主要承受面內拉伸/壓縮載荷，芯層則主要承受剪切載荷［2］。膠層界面作為三明治結構的關鍵部件，其主要功能在于實現面板與芯層的載荷傳遞，膠層性能的優劣對三明治結構的整體性能表現至關重要。泡沫芯層與膠層的結合界面是三明治結構內部連接的薄弱環節，為了提高三明治結構的界面連接性能，通常會對芯層表面進行高效、低成本的減材工藝處理，如單向開槽［3］、雙向開槽［4-5］、打孔［6］和半圓環槽［7］等。芯層經過開槽處理后不僅能在成型過程中為膠黏劑導流，還增大了膠黏連接面積，因此能夠顯著提高三明治結構的整體力學性能。

以上研究缺乏對其增強機制的深入研究。為此，不少研究學者著眼于探究芯層開槽方式對三明治結構性能的影響及機制。肖雪瑞［8-9］結合理論模型，Ansys有限元模型及試驗，研究了芯層表面處理的切縫尺寸參數（切縫的深度、間距、寬度）對芯層及三明治結構力學性能的影響，發現對芯層進行表面處理能夠有效地提高芯層以及三明治結構的力學性能。姚秀冬等［10］使用Ansys軟件建立了復合材料夾層結構的有限元模型并進行彈性分析，研究了芯層開正交溝槽對三明治結構層間應力分布及豎向位移的影響。FATHI等［11］487-508使用不同的開槽方式對輕木、聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride， PVC）泡沫、聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate， PET）泡沫、聚氨酯（Polyurethane， PU）泡沫等芯層進行處理，與玻璃纖維復合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer， GFRP）面板制成三明治結構后進行四點彎曲試驗，研究了不同開槽方式對不同三明治結構力學性能的影響，結果表明同種芯層處理方式對不同芯層泡沫材料的結構彎曲性能影響有差異。朱波等［12］基于Ansys軟件分析了輕木芯層經過打孔處理并填滿樹脂的三明治結構的屈曲特性及動力學性能，發現樹脂柱能夠在一定程度上減小三明治結構在瞬態載荷作用下的豎向位移，提高三明治結構的軸向承載能力和動力學性能。MOSTAFA 等［13］通過在PVC/PU 芯層導流槽中加入剪切增強鍵，同樣可以增強三明治結構（GFRP面板）的剪切性能。KABOGLU等［14］開展了泡沫芯層表面處理方式對三明治結構沖擊性能影響的相關研究，考慮了平切、柔性切割、刀切、鋸切等切割方式，并提升了三明治結構的韌性，以及吸能防護性能。REUTERLOEV［15］基于試驗方法對泡沫芯層開槽處理的影響進行了研究，考慮了三明治結構的疲勞和拉伸等力學性能。王順吉等［16］61-65通過改變PET泡沫材料的開槽方式，提高了PET泡沫材料的壓縮和剪切力學性能。QIN等［17］引入薄槽、穿孔和厚輪廓切割等方式，對聚氨酯樹脂（Polyurethane Resin， PUR）泡沫表面開槽方式進行了系統性研究，考慮了三明治結構（GFRP面板）在平拉、平壓、剪切和滾筒剝離工況下的性能表現。吉祥等［18］通過有限元方法研究了槽孔尺寸對芯層力學性能的影響。